(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に配置されＴＨｚ放射に対して感度を有する複数のＴＨｚ構造体（１）を有する周波数選択面を備えた表面センサ（１００，２００，３００，４００）において、
前記複数のＴＨｚ構造体（１）には、それぞれポラリゼーション軸（３）が存在し、
少なくとも２つのＴＨｚ構造体（１）は非対称的に形成されており、
２つ以上のＴＨｚ構造体が単位セル（１０）を構成し、
前記単位セル（１０）を構成する２つ以上のＴＨｚ構造体の群は、実質的に中心対称的に方向決めされたポラリゼーション軸（３）を有し、
前記単位セル（１０）においてＴＨｚ構造体の鏡面軸（４ａ，４ｂ）と偏光軸（３）との角度は４５°である、
ことを特徴とする、表面センサ。
【請求項２】
周期的に配置されＴＨｚ放射に対して感度を有する複数のＴＨｚ構造体（１）を有する周波数選択面を備えた表面センサ（１００，２００，３００，４００）において、
前記複数のＴＨｚ構造体（１）には、それぞれポラリゼーション軸（３）が存在し、
少なくとも２つのＴＨｚ構造体（１）は非対称的に形成されており、
２つ以上のＴＨｚ構造体が単位セル（１０）を構成し、
前記単位セル（１０）を構成する２つ以上のＴＨｚ構造体の群は、実質的に中心対称的に方向決めされたポラリゼーション軸（３）を有し、
いずれかのＴＨｚ構造体（１）はプレーナ形であり、かつ、誘電体基板（６）上に金属で形成され、前記ＴＨｚ構造体（１）の少なくとも１つの縁辺（８）において前記誘電体基板（６）が除去されており、
前記縁辺（８）はスリットの縁辺である
ことを特徴とする、表面センサ。
【請求項３】
周期的に配置されＴＨｚ放射に対して感度を有する複数のＴＨｚ構造体（１）を有する周波数選択面を備えた表面センサ（１００，２００，３００，４００）において、
前記複数のＴＨｚ構造体（１）には、それぞれポラリゼーション軸（３）が存在し、
少なくとも２つのＴＨｚ構造体（１）は非対称的に形成されており、
２つ以上のＴＨｚ構造体が単位セル（１０）を構成し、
前記単位セル（１０）を構成する２つ以上のＴＨｚ構造体の群は、実質的に中心対称的に方向決めされたポラリゼーション軸（３）を有し、
前記ＴＨｚ構造体（１）はいずれかの縁辺までパッシベーションされることにより、捕捉分子（９ａ）の結合が該縁辺（８）と比較して抑圧されるかまたは阻止される、
ことを特徴とする、表面センサ。
【請求項４】
前記ＴＨｚ構造体（１）のパッシベーション部はパッシベーション層（９，１１）として形成される、請求項３記載の表面センサ。
【請求項５】
前記単位セル（１０）を構成する２つ以上のＴＨｚ構造体（１）の群は、直近に隣接して配置されたＴＨｚ構造体から構成される、請求項１から４までのいずれか１項記載の表面センサ。
【請求項６】
前記ＴＨｚ構造体（１）は極性構造体である、請求項１から５までのいずれか１項記載の表面センサ。
【請求項７】
前記複数のＴＨｚ構造体（１）はＴＨｚ共振構造体である、請求項１から６までのいずれか１項記載の表面センサ。
【請求項８】
いずれかのＴＨｚ共振構造体（１）は、非対称スプリットリング共振器として形成されている、請求項７項記載の表面センサ。
【請求項９】
前記単位セル（１０）は、少なくともいずれかのＴＨｚ構造体（１）の鏡面化により形成される、請求項１から８までのいずれか１項記載の表面センサ。
【請求項１０】
前記単位セル（１０）は４つのＴＨｚ構造体（１）を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の表面センサ。
【請求項１１】
前記周波数選択面に捕捉分子が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の表面センサ。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項記載の表面センサの製造方法において、
周期的に配置されＴＨｚ放射に対して感度を有するＴＨｚ構造体を含む周波数選択面を形成するために、表面にＴＨｚ構造体をインクジェット印刷法によって設けることを特徴とする、表面センサの製造方法。
【請求項１３】
生体捕捉分子である捕捉分子をインクジェット印刷法によって設ける、請求項１２記載の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１１までのいずれか１項記載の表面センサを有する有価証券。
【請求項１５】
非標識方式の生体分子検出をＴＨｚ放射によって行うために請求項１から１１までのいずれか１項記載の表面センサを使用する方法。
【請求項１６】
前記表面センサを生物学的用途に使用する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
医療用および／または診断用に前記表面センサを使用する、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
請求項１から１１までのいずれか１項記載の表面センサを有価証券の証明に使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的に配置されテラヘルツ放射（ＴＨｚ放射）を感知するＴＨｚパターンを有する周波数選択面を有する表面センサに関し、とりわけ、それぞれに対してポラリゼーション軸が存在するＴＨｚ共振パターンを有する周波数選択面を有する表面センサに関する。本発明はさらに、表面センサの製造方法にも関する。さらに本発明は、表面センサを有するシステムと、表面センサの使用とにも関する。
【０００２】
たとえばＵＳ２００７／００１４３１Ａ１またはＵＳ２００６／０１５２４３０Ａ１から、マイクロ波領域の周期的なアンテナ構造または他の電磁的に活性する周期的なアンテナ構造が公知である。ＤＥ１０２５７２２５Ｂ３から、ＴＨｚ構造体が１つだけ設けられた分子分析用のＴＨｚ測定装置が公知である。
【０００３】
冒頭に述べた形式の表面センサは通常は、周期的に配置されたＴＨｚ構造体が表面に設けられた基板上に形成される。すなわち、ＴＨｚ放射に対して感度を有する構造体が表面に設けられた基板上に形成される。通常はこのような構造体は、所定の共振領域において感度を有しＴＨｚ放射を放出および／または検出するＴＨｚ共振器として形成される。たとえば、O'Hara et al による記事 "Thin-film sensing with planar terahertz metamaterials: sensitivity and limitations"、OPTICS EXPRESS Vol. 16, No. 3、p.1786 ff（２００８年２月４日）によれば、対称的なＴＨｚ共振器が設けられた周波数選択面が形成される。
【０００４】
ＴＨｚ技術の一般的な背景に関しては、さらに以下の刊行物がある：
P. H. Siegel, "Terahertz technology in biology and mediane," IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 52, 2438 (2004).
E. R. Brown, J.E. Bjarnason, T. LJ. Chan, A.W.M. Lee, and M.A. CeIIs, "Optical attenuation signatures of Bacillus subtillis in the THz region", Appl. Phys. Lett. 84, 3438-3440 (2004).
D. L. Woolard, E. R. Brown, M. Pepper, and M. Kemp, "Terahertz frequency sensing an imaging: A time of reckoning future applications?," Proc. IEEE 93, 1722-1743 (2005).
J. Barber, D.E. Hooks, DJ. Funk, R. D. Averitt, AJ. Taylor, and D. Babikov, "Temperature-dependent far-infrared spectra of Single crystals of high explosives using terahertz time-domain spectroscopy," J. Phys. Chem. A 109, 3501 (2005.)
J. Chen, Y. Chen, H. Zhao, GJ. Bastiaans, and X. -C. Zhang, "Absorption coefficients of selected explosives and related Compounds in the range of 0.1-2.8 THz," Opt. Express 19, 12060 (2007).
B. M. Fischer, M. Walther, and P. Uhd Jepsen, "Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy," Phys. Med. Biol. 47, 3807-3814 (2002).
J. Zhang, and D. Grischkowsky, "Waveguide terahertz time-domain spectroscopy of nanometer water layers," Opt. Lett. 29, 1617 (2004).
M. Nagel, P. Haring-Bolfvar, M. Brucherseifer, H. Kurz, A. Bosserhoff, and R. Buettner, "Integrated planar terahertz resonators for femtomolar sensitivity label-free detection of DNA hybridization," Appl. Opt. 41, 2074 (2002).
M. Nagel, F. Richter, P. Haring-Bolfvar, and H. Kurz, "A functionalized THz sensor for marker-free DNA analysis," Phys. Med. Biol. 48, 3625 (2003).
CK. Tiang, J. Cunningham, C. Wood, I. C. Hunter, and A.G. Davies, "Electromagnetic Simulation of terahertz frequency range filters for genetic sensing," J. Appl. Phys. 100, 066105-1-3 (2006).
T. Baras, T. Kleine-Ostmann, and M. Koch, "On-chip THz detection of biomaterials: a numerical study," J. Biol. Phys. 29, 187 (2003).
M. Brucherseifer, M. Nagel, P. Haring-Bolfvar, H. Kurz, A. Bosserhoff, and R. Buettner, "Label-free probing of the binding State of DNA by time-domain terahertz sensing," Appl. Phys. Lett 77, 4049 (2000).
T. Driscoll, G.O. Andreev, D. N. Basov, S. PaNt, S.Y. Cho, N.M. Jokerst, and D. R. Smith, "Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors," Appl. Phys. Lett. 91, 062511 (2007).
C. Debus and P. Haring-Bolfvar, "Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing," Appl. Phys. Lett. 91, 184102 (2007).
M. Kafesaki, Th. Koschny, R. S. Penciu, T.F.Gundogdu, E. N. Economou, and CM. Soukoulis, "Left-handed metamaterials: detailed numerical studies of the transmission properties," J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 7, S12 (2005).
A.K. Azad, J. Dai, and W. Zhang, "Transmission properties of terahertz pulses through subwavelength double split-ring resonators," Opt. Lett. 31, 634 (2006).
D. Grischkowsky, S. Keiding, M. van Exter, and Ch. Fattinger, "Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors," J. Opt. Soc. Am. B 7, 2006 (1990).
W. H. Padilla, AJ. Taylor, C. Highstrete, Mark Lee, and R. D. Averitt, "Dynamical electric and magnetic metamaterial response at terahertz frequencies," Phys. Rev. Lett. 96, 107401 (2006).
J. P. Pendry, AJ. Holden, DJ. Robbins, and WJ. Stewart, "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena," IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, 2075 (1999).
J. D. Baena, J. Bonache, F. Martfn, R. Marques Sillero, F. Falcone, T. Lopetegi, M.A.G. Laso, J. Garcfa-Garcfa, I. GiI, M. F. Portillo, and M. Sorolla, "Equivalent-circuit modeis for splitring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines," IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 53, 1451 (2005).
J. F. O'Hara, E. Smirnova, A.K. Azad, H. -T. Chen, and AJ. Taylor, "Effects of microstructure variations on macroscopic terahertz metafilm properties," Active and Passive Electronic Components 2007, 49691 (2007).
J.A. Defeijter, J. Benjamins, F.A. Veer, "Ellipsometry as a tool to study adsorption behavior of synthetic and biopolymers at air-water-interface," Biopolymers 17, 1759-1772(1978).
A. Markelz, S. Whitmire, and J. Hillebrecht et. al. "THz time domain spectroscopy of biomolecular conformational modes," Phys. Med. Biol. 47, 3797-3805 (2002).
B. M. Fischer, M. Hoffmann, H. Helm, et. al., "Terahertz time-domain spectroscopy and imaging of artifical RNA," Opt. Express 13, 5205-5215 (2005)
A. K. Azad, AJ. Taylor, E. Smirnova, and J. F. O'Hara, "Characterization and analysis of terahertz metamaterials based on rectangular split-ring-resonators," Appl. Phys. Lett. 92, 011119 (2008).
H.-T. Chen, W. J. Padilla, J. M. O. Zide, S. R. Bank, A.C. Gossard, A. J. Taylor, and R.D. Averitt, "Ultrafast optical switching of terahertz metamaterials fabricated on ErAs/GaAs nanoisland superlattices," Opt. Lett. 32, 1620-1622 (2007).
M.A. Cooper, Drug Discovery Today 11, 1061 (2006).
SRU Biosystems, Inc., www.srubiosystems.com.
Biacore Life Sciences, www.biacore.com
G. U. Lee, L.A. Chrisey, E.E. O'Ferrrall, D.E. Pilloff, N. H. Turner, RJ. Colton, Israel J. Chem. 36, 81-87 (1996).
【０００５】
たとえばＤＮＡやタンパク質等の生体分子が、ＴＨｚ周波数領域において結合固有の特性を有することが知られている。ＴＨｚ共振器は、このような特性を可能な限り高い感度で読み出すのに使用することができる。共振器が周期的に配置された表面は、特に簡単に読み出すことができる。
【０００６】
このような構成は、冒頭で定義したように、周波数選択面（ＦＳＳ）という概念で知られている。ＦＳＳは通常、金属の共振器構造体から形成される。たとえば、Yoshida による "Terahertz sensing method for protein detection using a thin metallic mesh", APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 253901 (2007)、Driscoll et al による "Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors", APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 062511 (2007) から、対称的に形成されたＴＨ共振器を有する共振器構造体の例が公知である。ＦＳＳは、用途ごとに応じて調整された周波数依存性の透過特性および反射特性を有し、たとえば、反射器としてアンテナシステムにおいて使用されるか、または、たとえば戦闘機等のレーダカモフラージュ等にも使用される。
【０００７】
最も簡単な共振器構造は、λ／２の波長を有するワイヤダイポール型である。このような共振器の電気的等価回路図は、ＬＣ振動回路となる。この要素を外部場によって共振状態に励起すると、ワイヤを、共振周波数ｆｒで振動する電流が流れる。ワイヤダイポールが周期的に配置された面、または異なって形成されたダイポールが設けられた面は、ほぼ、閉じられた金属面のように共振動作し、この面の反射は最大となる。損失のない場合には、Ｒ（ｆｒ）＝１およびＴ（ｆｒ）＝０となる。その際には、ＴＨｚ構造体ないしはＴＨｚ共振器から構成される個々の素子の共振周波数は、結合作用によって、アレイ全体の共振周波数から偏差する。ＦＳＳの典型的な用途では通常、可能な限りフラットな「ギャップのない」周波数特性を必要とする。ＦＳＳをたとえば、材料体積が小さい生体試料の検出に使用することは、比較的新しいことである。このアプローチは、共振構造体の次のような基礎的特性、すなわち、励起エネルギーをある程度の時間にわたって局所的に「蓄積」し、単純な透過と比較して試料材料との相互作用を格段に向上させることができる基礎的特性をベースとする。設けられた材料に対するセンサの応答は、ＦＳＳの１つまたは複数の共振周波数がシフトすることで現れる。
【０００８】
たとえば C. Debus et al "Fequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing", APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 184102 (2007) 等の最近の数値シミュレーションで、２つの隣接する干渉共振の間で発生し反射スペクトルのゼロ位置となって現れる周波数変則性が、誘電体周辺のごく僅かな変化にも特に高感度で応答することが分かっている。このような周波数変則性を生成する簡単な手段は、ＦＳＳの単位セル内の対称性を壊すことである。Debus et al による上記の記事に記載されたような非対称スプリットリング共振器（ａＳＲＲ）も、このような効果を利用する。
【０００９】
基本的に、たとえばスプリットリング共振器が電磁波共振器の別の適用領域から公知であり、たとえばＵＳ２００７／０１１４４３１Ａ１やＪＰ６４００１３０４Ａから公知である。
【００１０】
さらに、非標識方式の生体分子検出を行うアプローチも数多く存在する。経済的観点および技術的観点からは非常に興味深いにもかかわらず、これまではこのような手法のうち、標識方式の確立された手法と比較して、成果を収められた手法はなかった。非標識方式の検出手法にはとりわけ、
・光学表面プラズモン
・抵抗方式
・機械的センサ
・弾性波センサ
・光に応答するナノ粒子センサ
をベースとする検出手法が存在する。
【００１１】
上記の手法はいずれも、固有の利点および欠点を有する。しかし重大性に違いがあるにしても、上記の従来の手法は、感度、コストパフォーマンス、コンパクト性、試料のスループット、操作しやすさ、測定精度、許容誤差の点で１つまたは複数の欠点を有することが確認されている。
【００１２】
総じてＦＳＳは、上記の欠点を回避するために印象深い選択肢となっている。しかし、上記で説明した非対称スプリットリング共振器を有する従来のＦＳＳは、問い合わせ入射ビームの偏光方向に強く依存することが確認されている。このような偏光依存性は、技術的に応用する際に問題となる。というのも、誤調整がすべてセンサ応答として誤って解釈されるおそれがあるからだ。すなわち、横方向感度が高い。冒頭に挙げられた記事に記載されたような、共振素子が完全に対称的であるＦＳＳは、間隔が十分に小さい場合にはこのような偏光依存性を有さないが、十分に高いセンサ感度を実現するために必要な共振無関係性（Resonanz-Indifferenz）もない。
【００１３】
十分に高いセンサ感度と同時に偏光非依存性を実現することが望まれている。
【００１４】
ここで本発明の課題は、センサ応答が問い合わせビームの偏光に十分に依存せずかつ比較的高いセンサ感度が得られる表面センサ、表面センサの製造方法、システムおよび使用方法を提供することである。
【００１５】
表面センサに関しては、前記課題は本発明では、冒頭に述べた形式の次のような表面センサ、すなわち、本発明によればＴＨｚ構造体が非対称的に形成され、単位セルを構成する２つ以上のＴＨｚ構造体の群のポラリゼーション軸が実質的に中心対称的に方向決めされた表面センサによって解決される。
【００１６】
本発明では、中心対称的に方向決めされたａＳＲＲから単位セルを構成することにより、共振無関係性を有し偏光依存性を示さないセンサ表面を実現できるという認識が得られた。とりわけ表面センサは、多数の単位セルから成るアレイを含み、各単位セルは、ポラリゼーション軸が実質的に中心対称的に方向決めされた複数のＴＨｚ構造体を有する。
【００１７】
有利には、本発明のこのような構成により、横方向感度を従来のＦＳＳ構造体と比較して格段に小さくすることができる。
【００１８】
本発明はまた、上述の形式の表面センサを製造するための製造方法にも関する。本発明のこの製造方法では、周期的に配置されたＴＨｚ放射を感知するＴＨｚ構造体を有する周波数選択面を形成するために、表面上にＴＨｚ構造体をインクジェット印刷法によって設け、とりわけ生体フィンガ分子であるフィンガ分子をインクジェット印刷法によって設ける。
【００１９】
換言すれば本発明の製造方法のコンセプトは、ＦＳＳセンサ面を形成するためにインクジェット印刷システムを使用することである。本発明では、有利には金属製の共振構造体も、有利には生物学的な捕捉分子も、インクジェット印刷システムによって基板表面上に堆積できるという認識が得られた。
【００２０】
このようにして、特に有利には、上述の形式の表面センサを有するシステムを実現することができる。
【００２１】
本発明のコンセプトによれば、この表面センサは特にバイオセンサに適している。とりわけ本発明のコンセプトは、非標識方式の生体分子検出をＴＨｚ放射によって行うための表面センサの使用にも関する。
【００２２】
有利にはこの表面センサを、生物学的アプリケーションおよび／または医用および／または診断用および／または有価証券の証明に使用することもできる。
【００２３】
従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されており、課題の解決のために、または別の利点を得るために上述のコンセプトを具現化する有利な構成を詳細に示している。
【００２４】
本発明の特に有利な実施形態では、ＴＨｚ構造体はプレーナ形であり、とりわけ、誘電体基板上に金属で形成されたＴＨｚ構造体である。このような構成では、ＴＨｚ構造体の少なくとも１つの縁辺において基板が除去されているのが特に有利であることが判明している。この少なくとも１つの縁辺は、有利にはスリットの縁辺である。
【００２５】
ＴＨｚ構造体において基板を除去するためには、たとえばアンダーエッチングを使用することができる。このことにより、ＴＨｚ構造体が基板によって事前に強く荷電するのが十分に回避されると同時に、この縁辺においてフィールドを過度に上昇させることもできる。このことによってＴＨｚ構造体を‐基板による事前の荷電に依存することなく‐その上に設けられる検出対象の薄層に対して特に高感度にすることができる。換言すると、強いフィールド過上昇の部分が設けられた縁辺にあるフィンガ分子が、分子を検出するのに特に高感度であることが判明している。これは、基板に十分に依存しない共振特性による。
【００２６】
特に有利な実施形態では、ＴＨｚ構造体は縁辺までパッシベーションされることにより、この縁辺と比較して捕捉分子の結合が抑圧されるかまたは阻止されるようにする。このことはさらに、捕捉分子が縁辺の直近の領域でのみ結合するという利点も有する。というのも、他の領域がパッシベーションされているため、この直近領域でのみフィールド相互作用が発生するからである。このようにしてこの縁辺の露出により、捕捉分子の位置選択的な結合を簡単に実現することができる。
【００２７】
こうするために有利なのは、前記パッシベーションをパッシベーション層の形態で形成することである。ＴＨｚ構造体は、有利には金属構造体として形成される。たとえば、金属面に卑金属または電気絶縁性のパッシベーション層を被覆し、これによって捕捉分子の化学結合が抑圧されるかまたは阻止されるようにすることができる。
【００２８】
製造方法では、縁辺の露出前にも、縁辺の露出後にも、パッシベーション層を設けることができる。前者の場合には有利には、パッシベーション層はＴＨｚ構造体上に形成されるか、またはＴＨｚ構造体にのみ形成される。後者の場合、パッシベーション層はＴＨｚ構造体上と、該ＴＨｚ構造体の内側とに形成される。
【００２９】
以下で図面を参照して、本発明の実施例を説明する。図面では実施例を必ずしも拡大比率通りに示しているとは限らず、むしろ、説明するのに役立つ場合には図面を概略的および／または多少歪めて示している場合がある。図面から直接読み取れる思想の補足に関しては、関連従来技術を参照されたい。ここでは、本発明の全般的な思想から逸脱することなく、実施形態の形状および詳細に関して行える修正および変更は多数存在する。明細書、図面および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、単独でも任意の組み合わせでも、本発明をさらに発展させるために重要である。さらに本発明には、明細書および／または図面および／または特許請求の範囲に開示された特徴のうち少なくとも２つを組み合わせたすべての実施形態が含まれる。本発明の全般的な思想は、以下で図示および説明する有利な実施形態の正確な形状または詳細に限定されることはなく、また、特許請求の範囲に記載された構成と比較して限定された特定の構成に限定されることもない。測定範囲を挙げる場合には、記載された限界内に含まれる値も限界値として開示されたものであるとし、任意に使用して特許請求の範囲に記載できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】特に有利な実施形態による表面センサにおける周波数選択面のアレイの単位セルの非対称的なＴＨｚ構造体を示す。
【図２】前記有利な実施形態においてたとえば図１のＴＨｚ構造体を２重に鏡面化することによって形成された中心対称性の単位セルを示す。
【図３】第１の別の実施形態の表面センサにおけるＴＨｚ構造体の側面図である。
【図４】第２の別の実施形態の表面センサにおけるＴＨｚ構造体の側面図である。
【図５】（ａ）は、読取りビームの偏光方向が異なる場合の図１中のＦＳＳの透過スペクトルを示し、（ｂ）は、図２中のＦＳＳの偏光非依存性の透過スペクトルを示す。
【図６】（ａ）は、読取りビームの偏光方向が異なる場合の図１中のＦＳＳのフィールド分布を示す。
【図７】図４中の実施形態の変形形態として、第３の別の実施形態の表面センサにおけるＴＨｚ構造体の側面を示す図である。
【図８】図４中の実施形態の変形形態として、第４の別の実施形態の表面センサにおけるＴＨｚ構造体の側面を示す図である。
【００３１】
ここで説明する実施形態は、生体分子プローブの非標識方式検出に対する技術的な解決手段である。
【００３２】
こうするために、図１〜図４の実施形態で詳細に説明する本発明のコンセプトでは、ＴＨｚ放射に対して感度を有し周期的に配置されたＴＨｚ構造体を有する周波数選択面を備えた表面センサ１００，２００を使用する。前記ＴＨｚ構造体はここでは、ＴＨｚ共振構造体である。各ＴＨｚ共振構造体ごとに１つのポラリゼーション軸３が存在する。以下では簡潔にするため、同一または同様の特徴、または同一または同様の機能の特徴には同一の参照符号を使用する。表面センサ１００，２００はここでは基板６に形成されており、この周波数選択面により、標識分子を使用することなく、生体分子の化学結合ないしは化学的付加反応の検出を行うことができる。こうするためには、基板表面に、周期的に配置された単位セル１０が設けられる。各単位セル１０は中心対称的に方向決めされた複数のＴＨｚ構造体から、すなわち、中心対称的に方向決めされたポラリゼーション軸３が存在するプレーナ形の複数のＴＨｚ構造体から構成される。このＴＨｚ構造体は、ここではＴＨｚ共振器１として形成されている。このように構成されたＴＨｚ構造体１は非対称的になる。すなわち、ＴＨｚ共振構造体１はここでは、それぞれスリット共振器素子を形成する導電性の部分リング２ａ，２ｂによって形成される。
【００３３】
ここでは１つの構造体では、図２の単位セル１０から構成されたアレイの共振周波数は、０．１〜１０ＴＨｚのＴＨｚ周波数領域内にある。これらの構造体の表面には、表面センサ１００，２００を形成するために、特別な結合特性を有する生物学的なフィンガ分子が設けられる。このフィンガ分子は、図中に詳細に示していない。この構成による生体分子の検出は、以下のように行われる：
未知の種類の生体分子が、センサ表面上の所定の位置に割り当てられている既知のフィンガ分子に結合する。このような結合過程により、周波数選択面のアレイの単位セル１０内のＴＨｚ共振構造体１の共振特性が変化する。このような結合過程の検出は、このような共振特性の変化の測定によって行われる。こうするためには、センサ表面にＴＨｚ放射を照射する。このようにしてセンサ信号を、透過信号または反射信号による測定によって行うことができる。
【００３４】
図３に、誘電体から形成された基板６上にＴＨｚ構造体１が金属層５として通常のように設けられた表面センサ１００の第１の実施形態を示す。
【００３５】
この第１の実施形態の発展形態では、図４に詳細に示している第２の実施形態の表面センサ２００を実現することができる。この第２の実施形態では、基板６の一部が除去される。この基板６の一部の除去では特に有利には、金属層５の縁辺から基板６を除去する。この縁辺は、有利にはスリット縁辺８である。このことは有利には、この縁辺の領域で金属層５のアンダーエッチングを行うことによって実現される。
【００３６】
このように縁辺８を露出させることにより、ＴＨｚ共振構造体１の共振特性が基板に十分に依存せずに決定されるようにすることができる。さらに、このような縁辺の領域にフィールド過上昇が発生し、これによって、ＴＨｚ共振構造体１のこの重要な領域において該ＴＨｚ共振構造体１が、付加された検出対象の分子等に対して高感度になる。
【００３７】
図７に、図４に示した第２の実施形態を変更した第３の実施形態のＴＨｚ構造体３００を示す。その他の点ではこの実施形態では、同一の特徴または同様の特徴ないしは同一または同様の機能を有する特徴に、同一の参照符号を使用している。
【００３８】
第２の実施形態の補足として、この表面センサ３００では金属層５に卑金属のパッシベーション層９が被覆されており、このパッシベーション層９によって捕捉分子の化学結合が抑圧または阻止される。ここではパッシベーション層９は、スリット縁辺８を露出させるためのアンダーエッチング前に金属層５に設けられる。つまり、卑金属層として形成されたパッシベーション層９は、図中に詳細に示していないＴＨｚ構造体を基板上６に形成するための金属層５と一緒に、該ＴＨｚ構造体の外側の領域７においてエッチング除去され、それと同時にスリット縁辺８が露出される。
【００３９】
図８に、第４の実施形態の図４の第２の実施形態を変更した別の実施形態を示す。この実施形態でも簡素化するため、同一の特徴または同様の特徴ないしは同一または同様の機能を有する特徴に、同一の参照符号を使用する。
【００４０】
図８に示したように、パッシベーション層１１は金属層５上に形成されている。ここではパッシベーション層１１は、電気絶縁性のパッシベーション層として形成されており、‐図７の流れと異なり‐スリット縁辺８のアンダーエッチング後に設けられる。このことにより、アンダーエッチングによって基板が除去された容積の領域７にもパッシベーション層１１が設けられる。すなわち、図中に詳細に示していないＴＨｚ構造体の内側にも設けられる。それゆえここでは、電気絶縁性のパッシベーション層として形成するのが適している。
【００４１】
図７に示した第３の実施形態でも、図８に示した第４の実施形態でも、領域９ａに示したような捕捉分子が金属層５のアンダーエッチングされたスリット縁部８の直近領域でのみ結合することが保証される。というのも、パッシベーション層９，１１を上述のように設けることにより、捕捉分子と金属層５との相互作用が不可能になるか、または縁辺８の領域でのみ可能になるからである。
【００４２】
まとめると本発明は、ＴＨｚ放射を感知するＴＨｚ構造体１が周期的に配置された周波数選択面を有する表面センサ１００，２００，３００，４００に関する。これらのＴＨｚ構造体１はとりわけ、それぞれポラリゼーション軸３が存在するＴＨｚ共振構造体である。遠隔場の特性を改善するために本発明では、ＴＨｚ構造体１を非対称的に形成し、単位セルを構成する２つ以上のＴＨｚ構造体の群のポラリゼーション軸が実質的に中心対称性に方向決めされるように構成する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ）】
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【図６ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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